DE19929588A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand - Google Patents

Abstract

Verfahren und wesentliche Komponenten einer Vorrichtung zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand bei gleichzeitiger Bestimmung des Dampfmassenstroms in Rohrleitungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die wesentlichen Merkmale einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Zustands von Dämpfen, insbesondere von Wasserdampf, hinsichtlich des Gehaltes an Feuchtigkeit und Überhitzung

Wasserdampf wird bei zahlreichen technischen Prozessen als Arbeitsmedium oder als Behandlungsmedium zur Einwirkung auf Güter verschiedenster Art eingesetzt. Bei vielen dieser Prozesse ist die präzise Einhaltung des vorgegebenen physikalischen Zustandes des Dampfes von entscheidender Bedeutung für den Prozeßerfolg. Nur als ein Beispiel sei hier die Sterilisation von Gütern mittels Wasserdampf erwähnt. Die damit verbundenen Anforderungen an den physikalischen Zustand des Dampfes waren Anregung für diese Erfindung.

In der DIN 58950, Teil 7 "Dampf-Sterilisatoren für pharmazeutische Sterilisiergüter" werden in Tabelle 3 unter anderem folgende Anforderungen an den Zustand von Sterilisierdampf und pharmazeutischen Reindampf gestellt:
Feuchtigkeit kleiner-gleich 5%.
Überhitzung kleiner-gleich 5°C.
Gehalt an nicht kondensierbaren Gasen kleiner-gleich 40 ml/kg.

In der DIN/EN 285 "Dampf-Sterilisatoren, Groß-Sterilisatoren" werden unter Punkt 24 Methoden zur Bestimmung der genannten Zustandsparameter beschrieben, die jedoch in der praktischen Handhabung denen von Laboruntersuchungsmethoden entsprechen. Für eine kontinuierliche Erfassung der Parameter sind sie nicht geeignet.

Lediglich zur Bestimmung des Gehalts an nichtkondensierbaren Gasen sind industriell anwendbare Verfahren beschrieben in DE 36 36 716 C2 und DE 43 19 402 C2.

Zur Bestimmung des Feuchtegehaltes oder der Überhitzung wird klassischerweise die kalorische Bestimmung angewandt, wie auch in der EN 285 beschrieben. Dabei wird der Dampf durch indirekte Kühlung oder Einleiten in Kühlwasser kondensiert und die hierbei freiwerdende Energie durch Messung der Temperaturerhöhung des entsprechenden Kühlmediums erfaßt. Bei gleichzeitiger Erfassung der Dampftemperatur bzw. des Druckes, der kondensierten Dampfmasse und der Kondensattemperatur kann unter Zuhilfenahme des thermodynamischen Zustandsdiagramms (h,s-Diagramm nach Mollier) der Energieinhalt des untersuchten Dampfes ermittelt werden. Durch die Beziehungen im h,s-Diagramm kann daraus wiederum abgeleitet werden, welchen Feuchteanteil bzw. welchen Grad an Überhitzung der Dampf hatte.

Die Ungenauigkeit der Meßverfahren, die nach diesem Prinzip arbeiten, ist umso größer, je geringer die Abweichung des untersuchten Dampfes vom Sättigungszustand ist. Als Meßgröße wird die gesamte beim Kondensieren freiwerdende Energie verwendet. Diese unterscheidet sich beim Vergleich von Sattdampf gegenüber einem Dampf mit 5% Feuchteanteil lediglich um ca. 4,5%. Bei Sattdampf von 120°C wird die Kondensationsenthalpie von ca. 2200 kJ/kg frei. Der vergleichbare Dampf mit 5% Feuchte setzt ca. 2100 kJ/kg frei.

Die Veränderung der Meßgröße infolge der Feuchte ist also sehr schwach.

Demzufolge sind die Meßungenauigkeiten im Bereich kleiner Feuchtegehalte sehr groß. In der technischen Anwendung ist aber die genaue Bestimmung des Aggregatszustandes von Wasserdampf insbesondere in der Nähe der Sattdampfbedingungen von besonderem Interesse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren und die entscheidenden Merkmale der dazugehörigen Vorrichtung zu definieren, mit dem es möglich ist die Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand zu bestimmen und dabei durch Auswertung einer sich markant verändernden Meßgröße eine hohe Auflösegenauigkeit zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die thermodynamischen Zustandsdaten von Wasserdampf sind in dem in der thermischen Verfahrenstechnik häufig benutzten "h,s-Diagramm nach Mollier" (erschienen z. B. im Springer-Verlag) ablesbar.

Zur besseren Erläuterung wird das Verfahren im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel einer Meßvorrichtung beschrieben. Anhand eines Auszugs aus dem h,s-Diagramm wird in grafischer Weise erläutert, wie die gesuchten Zustandsdaten ermittelt und berechnet werden können.

Auch bei der praktischen Anwendung der Erfindung kann die Datenermittlung grafisch erfolgen, es wird jedoch ein kontinuierlich arbeitendes und vollautomatisches Meßsystem angestrebt, sodaß die Daten des Mollier-Diagramms vorzugsweise aus einer computerlesbaren Tabelle übernommen und in ein Computerprogramm einbezogen werden, das die nachfolgenden Verfahren der Datenermittlung und Berechnung umsetzt.

In Fig. 1 ist eine Dampfleitung 1 dargestellt, aus der über ein Sondenrohr 2 ein Teilstrom des Dampfes zu einer beheizten Rohrstrecke oder Meßkammer 3 geleitet wird. Über die Heizeinrichtung 4 wird dem Probendampf soviel Energie zugeführt, daß dieser bezogen auf den herrschenden Druck sicher überhitzt ist, d. h. seine Temperatur liegt nach der Heizeinrichtung 4 oberhalb der Sattdampftemperatur. Eine Überhitzung von mindestens 3°C sollte angestrebt werden. Die Heizleistung ist entweder so gewählt, daß beim maximal zu erwartenden Massenstrom und beim maximalen zu erwartenden Feuchtegehalt des Dampfes ausreichend Energie zugeführt wird, um den Probendampf in das Überhitzungsgebiet zu führen, oder sie wird geregelt, um eine gewünschte Überhitzungstemperatur zu erreichen. Führungsgröße ist in diesem Fall der Meßkammer- Temperatursensor 7. Bei dem üblicherweise zu erwartenden Spektrum des Feuchteanteils wird die erforderliche Heizleistung bei lediglich ca. 30 bis 100 Watt liegen je 1 kg Probendampfstrom pro Stunde.

Das Sondenrohr 2 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß kein signifikanter Druckverlust zwischen Dampfleitung 1 und Meßkammer 3 entsteht.

Über ein Drosselorgan 5 strömt der überhitzte Dampf aus der Meßkammer 3 ab ins Freie oder in einen anderen verfügbaren Raum der unter niedrigerem Druck steht als die Dampfleitung 1. Das Drosselorgan 5 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß sich bei den gegebenen Verhältnissen zwischen dem Druck in der Dampfleitung 1 und dem Druck im Bereich nach dem Drosselorgan 5 ein konstanter Dampfmassenstrom einstellt. Als Drosselorgan kann eine handelsübliche Regelarmatur vorgesehen werden, die auch bei Schwankungen des Druckes in der Dampfleitung 1 den abgehenden Massenstrom des Probendampfes konstant hält.

Vorzugsweise wir aber eine Normblende oder Normdüse nach DIN 1952 eingesetzt und nach den einschlägigen Berechnungsverfahren der Dampfmassenstrom berechnet, z. B. über:

Die erforderliche dimensionslose Durchflußzahl α und die Expansionszahl ∈ werden aus Tabellenwerken übernommen und im Computerprogramm hinterlegt. A_d ist der Öffnungsquerschnitt der Drossel. Die Druckdifferenz Δp zwischen dem Raum vor und nach der Blende kann durch einen Differenzdrucksensor oder 2 unabhängige Sensoren gemessen werden. Falls jedoch der Probendampf in einen Bereich mit atmosphärischem Druck abgeblasen wird, ist es ohne signifikanten Einfluß auf die Meßgenauigkeit vorzuziehen, nur den Druck des Probendampfes vor dem Drosselorgan 5 mit Hilfe des auch für weitere Erfordernisse installierten Meßkammer-Drucksensors 6 zu erfassen und davon den mittleren Atmosphärendruck am Aufstellort abzuziehen.

Die Dichte ρ₁ des überhitzten Dampfes vor der Blende wird aus dem im Computerprogramm der Elektromagnetischen Meß- Steuer- und Regeleinheit (EMSR) 8 hinterlegten h,s- Diagramm ermittelt. Dazu werden die Signale des Meßkammer-Drucksensors 6 und des Meßkammer-Temperatursensor 7 über die Tabellenbezüge im Computerprogramm genutzt, um die Dichte des überhitzen Probendampfes zu bestimmen.

Für Anwendungen bei denen die Genauigkeitsanforderungen nicht hoch gestellt werden, kann ggf. auf die kontinuierliche Berechnung des Probendampfstroms verzichtet werden. Bei gegebenem Drosselorgan 5 wird dann nur einmalig der Massenstrom ermittelt, z. B. durch Kondensation über einen definierten Zeitraum und anschließendem Auswiegen des Probendampfes. Dieser Wert wird dann in den nachfolgend beschriebenen Berechnungsverfahren herangezogen.

In Fig. 2 ist beispielhaft im h,s-Diagramm dargestellt, welche Zustandsänderung der Probendampf in der Meßkammer 3 erfährt. Der Diagrammausschnitt wird mittig schräg von der Sattdampflinie durchzogen, die die Grenzlinie zwischen dem Bereich des Naßdampfgebietes und dem Überhitzungsgebiet darstellt. Im Naßdampfgebiet verlaufen die Temperaturlinien parallel zu den Drucklinien, und machen an der Sattdampflinie einen Knick zu einem annähernd horizontalen Verlauf. Im Naßdampfgebiet sind die Feuchtelinien sichtbar, die annähernd parallel zur Sattdampflinie verlaufen. Sie geben den Trockenheitszustand des Dampfes an. In gängigen technischen Anwendungen ist davon auszugehen, daß der Feuchtegehalt meist bei 2% (x = 0,98) bis 20% (x = 0,80) liegt. Über Temperatur- und Druckmessung im Probenahmeraum kann in Fig. 2 die Position (1) des Dampfzustandes im h,s-Diagramm nicht eindeutig ermittelt werden, da bei jedem beliebigen x-Wert im Naßdampfgebiet bei einem bestimmten Druck die Temperatur stets gleich bleibt. Somit ist auch der Feuchtegehalt nicht bestimmbar.

Da aber oberhalb des Naßdampfgebietes die Beziehung Temperatur-Druck eine eindeutige Aussage zum physikalischen Zustand des Dampfes liefert und eine Positionsbestimmung im h,s-Diagramm möglich ist, liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren der Gedanke zu Grunde, den ggf. nassen Dampf soweit aufzuheizen, daß er sicher überhitzt ist. Unter Berücksichtigung der eingesetzten Heizleistung und des Probenmassenstroms kann auf die Position des Probendampfes im h,s-Diagramm vor der Aufheizung rückgeschlossen werden.

Nachfolgend wir an mehreren Beispielen die Verfahrensweise zur Erfassung und Ermittlung der Meßwerte unter verschiedenen Ausgangsbedingungen dargestellt.

Beispiel 1, vgl. Fig. 2. Es wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

• - Der Dampf in der Dampfleitung 1 bzw. im Probenahmeraum strömt nicht oder nur mit geringer kinetischer Energie.
• - Das Sondenrohr 2 ist so dimensioniert ist, daß es keine signifikanten Druckverluste verursacht.
• - Die Meßkammer 3 ist so dimensioniert, daß die Geschwindigkeit des Probendampfes darin auf annähernd Null, d. h. im Bereich von ca. 1 m/s, absinkt.
• - Der angenommene Dampf in der Dampfleitung 1 hat einen Druck von 2,6 bar (absolut) und ist mit 5% Feuchte beladen, d. h. x = 0.95.

Zur Bestimmung der Position (2) des Probendampfes im h,s-Diagramm nach der Überhitzung muß die Temperatur über den Meßkammer-Temperatursensor 7 und der absolute Druck erfaßt werden. Unter den oben genannten Voraussetzungen ist es ausreichend den statischen Druck zu erfassen. Dazu kann entweder der Statische Drucksensor 9 oder der Meßkammer-Drucksensor 6 genutzt werden. Das in Fig. 1 dargestellte Pitotrohr 10 ist unter den Bedingungen des Beispiels nicht erforderlich. Der Druck kann auch über einen Sensor erfaßt werden, der an einem zusätzlichen Stutzen an der Rohrleitung (nicht dargestellt) angebracht ist. Solange es sich um nicht strömenden Dampf handelt, ist es unerheblich, ob der Drucksensor über ein sogenanntes Piezorohr oder Pitotrohr angeschlossen ist.

Bei bekanntem Probedampf-Massenstrom (feststehend oder geregelt) und bekannter Heizleistung (feststehend oder geregelt) kann die Erhöhung der Enthalpie des Probendampfes errechnet werden:

Aus den Tabellenbezügen des h,s-Diagramms kann auch das absolute Enthalpieniveau des überhitzten Probendampfes bestimmt werden.

Ausgehend von dieser Position (2) im h,s-Diagramm kann unter Abzug des ermittelten Wertes für Δh das Enthalpieniveau des Ausgangsdampfes errechnet werden. Da der Überhitzungsvorgang isobar erfolgte, beschreibt der Schnittpunkt der ermittelten Enthalpielinie mit der gemessenen Drucklinie (2,6 bar) die Position (1) des Untersuchungsdampfes im Naßdampfgebiet. Aus den Tabellenbezügen im Computerprogramm wird im Beispiel ein Feuchtegehalt von 5% erkannt.

Beispiel 2, vgl. Fig. 3. Es wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

• - Der Dampf des Beispiels 1 setzt sich wegen Zuschaltung eines Verbrauchers in der Rohrleitung in Bewegung.
• - Das Sondenrohr 2 ist so dimensioniert ist, daß es keine signifikanten Druckverluste verursacht.
• - Die Meßkammer 3 ist so dimensioniert, daß die Geschwindigkeit des Probendampfes darin auf annähernd Null, d. h. im Bereich von ca. 1 m/s., absinkt.
• - Der angenommene Dampf in der Dampfleitung 1 hatte im stehenden Zustand einen Druck von 2,6 bar (absolut) und war mit 5% Feuchte beladen, d. h. x = 0.95.

Die in Geschwindigkeit umgesetzte Energie verändert den spezifischen Enthalpiewert des Dampfes in der Dampfleitung 1. Im h,s-Diagramm entspricht dies einem Entspannungsvorgang verbunden mit Enthalpieabnahme, Δh(w). Die Lage des Dampfes im h,s-Diagramm verändert sich von (1) nach (2). Der statische Druck in der Dampfleitung 1 verringert sich entsprechend. Der Unterschied ist aus Gründen der Anschaulichkeit übertrieben dargestellt. Vereinfachend wird von isentroper Zustandsveränderung ausgegangen, exakt betrachtet verläuft die Linie (1)-(2) leicht schräg nach rechts unten. Ein von diesem Dampfzustand abgezweigter Probendampfstrom wird in der Meßvorrichtung geleitet und dort überhitzt. Wenn das Sondenrohr 2 nach dem bekannten Prinzip eines Pitot- Rohres ausgeführt ist, wie dargestellt, und die Meßkammer 3 so dimensioniert ist, daß sich die Dampfgeschwindigkeit auf annähernd 0 m/s. verringert, wird innerhalb der Meßkammer 3 ein höherer statischer Druck herrschen als in der Dampfleitung 1. Bei Aufheizung bis angenommen 150°C verläuft die Zustandsänderung des Probendampfes von (2) nach (3). Die dabei aufzuwendende Energie Δh entspricht dem Abstand von (1)-(3), nicht (2)-(3), da innerhalb der Meßkammer 3 die kinetische Energie Δh(w) wieder in erhöhte spezifische Enthalpie umgesetzt wird.

Durch die Signale des Meßkammer-Drucksensors 6 und des Meßkammer- Temperatursensors 7 kann der Zustandspunkt (3) im h,s-Diagramm bestimmt werden. Unter Einrechnung des Probendampf-Massenstroms und der Heizleistung wird Δh bestimmt, und damit die Position (1) des Dampfes, die den Gesamtenergieinhalt einschließlich Geschwindigkeitsenergie widerspiegelt.

Unter den Bedingungen dieses Beispiels würde es zu einem Meßfehler führen, wenn nur der statische Druck aus der Dampfleitung 1 zur Ermittlung der Position im h,s-Diagramm herangezogen würde. Die Auswertung des Druck-Temperatur-Bezugs ergäbe dabei die Position (3') im h,s-Diagramm. Die Bestimmung von Δh würde identisch ausfallen und somit als Ausgangspunkt die falsche Position (1') ermittelt.

Wie beschrieben kann also bei richtiger Anordnung des Drucksensors der Zustandspunkt (1) gefunden werden. Bei zahlreichen technischen Anwendungen ist es aber nicht unbedeutend, welchen Zustand der Dampf während seiner Strömung in der Rohrleitung aufweist. Durch die Beschleunigung des zuvor stehenden Dampfes wird eine Tröpfchenausfällung verursacht. Auch wenn der Dampf im späteren Verlauf seines Weges wieder in Zonen mit geringer Strömungsgeschwindigkeit gelangt, z. B. in eine Behandlungskammer, so werden die Tröpfchen dennoch nicht sofort wieder verdampft. Die Rückumwandlung von Geschwindigkeitsenergie in einen wieder erhöhten Enthalpiewert des Dampfes bewirkt, daß in Fällen, bei denen der Zustand des strömenden Dampfes in der Nähe der Sattdampflinie lag, kurzfristig sogar überhitzter Dampf und Tröpfchen gleichzeitig nebeneinander existieren. Erst durch den allmählichen Wärmeübergang auf die Tröpfchen verdampfen diese wieder und es stellt sich ein einheitlicher Dampfzustand ein. Dies setzt aber eine fortgesetzte, gute Durchmischung der Tröpfchen mit der Dampfphase voraus, was nicht grundsätzlich gewährleistet ist.

Die Erfindung stellt sich deshalb auch zur Aufgabe, die Lage des strömenden Dampfes im h,s-Diagramm zu bestimmen.

Es gelten nach wie vor die Voraussetzungen des Beispiels 2.

Die Meßvorrichtung ist so aufgebaut, daß neben der Druckerfassung in der Meßkammer 3 über den Meßkammer-Drucksensor 6 auch der statische Druck in der Dampfleitung 1, z. B. wie dargestellt über den Statischen Drucksensor 9, erfaßt wird. Alternativ kann der Statischen Drucksensor 9 auch als Differenzdrucksensor ausgeführt sein, dessen zweiter Druckanschluß dann in der Meßkammer 3 angebracht ist. In Fig. 7 ist beispielhaft die Anordnung eines Differenzdrucksensors 17 dargestellt.

Nach Ermittlung des Zustandspunktes (1) nach dem oben beschriebenen Verfahren kann auch der Zustandspunkt (2) wie folgt ermittelt werden.

Vom Zustandpunkt (1) ausgehend kann der Zustandspunkt (2) als Schnittpunkt der konstanten Entropielinie und der Drucklinie, die über den Statischen Drucksensor 9 gemessen bzw. durch Abzug des Meßwertes des alternativen Differenzdrucksensors vom Meßwert des Meßkammer-Drucksensor 6 errechnet wurde, bestimmt werden. Hierzu werden im Computerprogramm der EMSR 8 die entsprechenden Tabellenbezüge dieses Wertepaares herangezogen. Somit ist der physikalische Zustand und der Feuchtegehalt auch für den strömenden Dampf ermittelt.

Sowohl für den Zustandspunkt (1), als auch für den Zustandspunkt (2) ist aus dem h,s- Diagramm bzw. aus den Tabellenbezügen im Computerprogramm jeweils die zugehörige Enthalpie ermittelbar. Die Differenz der beiden Enthalpiewerte Δh(w) ist proportional zur Geschwindigkeit des strömenden Dampfes. Gemäß h,s-Diagramm, aufbereitet von Prof. Dr.- Ing. Ernst Schmidt, Springer Verlag, gilt:

Δh entspricht gem. Fig. 3 dem ermittelten Wert Δh(w).

Somit läßt sich aus der angegebenen Formel die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes in der Dampfteitung 1 ermitteln.

Bei bekannter Geschwindigkeit und bekannter Querschnittsfläche der Dampfleitung 1 kann unter Nutzung der vorausgegangenen, erfindungsgemäßen Datenermittlungen und nachfolgenden Formelzusammenhängen auch der Volumenstrom, die Dichte und der Massenstrom bestimmt werden.

Das spezifische Volumen "v" kann im h,s-Diagramm für jeden Punkt abgelesen bzw. aus den Tabellenbezügen im Computerprogramm ermittelt werden. In Fig. 3 ist beispielhaft die isochore Linie für v = 0,8 m³/kg, die durch den Zustandspunkt (2) läuft, eingezeichnet. Alternativ kann "v" nach Ermittlung der Geschwindigkeit und Messung des statischen und des Gesamtdruckes, wie beschrieben, auch aus folgendem Zusammenhang der Strömungslehre ermittelt werden:

Falls ein Differenzdrucksensor eingesetzt wird, wie oben erwähnt, ersetzt der gemessene Δp-Wert den Therm (p_gesamt-p_statisch).

Zu bewerten wäre, ob diese eigentlich für ideale Gase geltende Formel bei Anwendung für feuchten Dampf zu signifikanten Fehlern führt.

Die lichte Querschnittsfläche der Dampfleitung 1 wird an dem zu untersuchenden System einmalig gemessen und als konstanter Wert in die Berechnung übernommen.

Der Volumenstrom wird somit im Computerprogramm kontinuierlich bestimmt aus der konstanten Querschnittsfläche A und der zuvor ermittelten Geschwindigkeit w:

Der Dampfmassenstrom kann bestimmt werden aus:

Somit kann nach dem beschriebenen Verfahren neben der Dampffeuchte auch die Strömungsgeschwindigkeit und der Massenstrom ermittelt werden.

Die Tatsache, daß die Zustandsänderung von (1) nach (2) nicht exakt senkrecht, d. h. nicht exakt isentrop verläuft, sondern ggf. polytrop, wie in Fig. 4 aus Anschaulichkeitsgründen übertrieben dargestellt, wird bei üblichen Rohrströmungen nur unmerklich in Erscheinung treten. Bei äußerst hohen Genauigkeitsanforderungen kann ein systemabhängiger Korrekturfaktor bei der beschriebenen Bestimmung von Δh(w) berücksichtigt werden. Durch Multiplikation des Korrekturfaktors, z. B. 0,95, mit Δh(w) ergibt sich Δh'(w). Im Computerprogramm der EMSR 8 wird dieser Wert vom Enthalpiewert des zuvor ermittelten Zustandspunktes (1) abgezogen. Über die Tabellenbezüge im Computerprogramm kann aus dem Wertepaar des sich ergebenden Enthalpiewertes zusammen mit dem über den Statischen Drucksensor 9 gemessen, bzw. durch Abzug des Meßwertes des alternativen Differenzdrucksensors vom Meßwert des Meßkammer-Drucksensor 6 errechneten, Druckes in der Rohrleitung der Zustandspunkt (2') ermittelt werden.

Beispiel 3, vgl. Fig. 3 u. Fig. 1. Es wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

• - Der Dampf in der Rohrleitung ist in Bewegung.
• - Die Meßkammer 3 ist so dimensioniert, daß die Geschwindigkeit des Probendampfes darin nicht auf annähernd Null absinkt, sondern eine signifikante Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Dies ist ggf. erwünscht, um eine Signalglättung durch das Volumen der Meßkammer zu vermeiden.
• - Der angenommene Dampf in der Dampfleitung 1 hatte im stehenden Zustand einen Druck von 2,6 bar (absolut) und war mit 5% Feuchte beladen, d. h. x = 0.95.

Die Meßkammer 3 kann z. B. auch in Form einer Rohrstrecke ausgeführt ist, in der die Geschwindigkeit des Probendampfes nicht annähernd Null ist. In diesem Fall ist es für eine korrekte Bestimmung des Dampfzustandpunktes (1) in Fig. 3 wichtig, daß die Druckerfassung in der Meßkammer 3 (Fig. 1) über ein Pitotrohr 10 (Fig. 1) erfolgt. Der Meßkammer-Drucksensors 6 erfaßt bei der dargestellten Ausführung wegen der Reihenschaltung des Sondenrohr 2 nach dem Pitotrohr-Prinzip und dem zweiten Pitotrohr 10 den tatsächlichen Gesamtdruck einschließlich der kinetischen Energie sowohl in der Dampfleitung 1 als auch in der Meßkammer 3. Falls der Drucksensor 6 nur über eine Piezorohr (radialer Stutzen ohne Sondenrohr) angeschlossen wäre, würde er nur den statischen Druck in der Meßkammer 3 erfassen. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit in der Meßkammer 3 käme es zu einer mehr oder weniger großen Fehlbestimmung des Zustandspunktes (3).

Falls anstelle des Statischen Drucksensor 9 alternativ der erwähnte Differenzdrucksensor eingesetzt wird, muß dessen zweiter Druckanschluß in der Meßkammer 3 ebenfalls mit einem Pitotrohr enden.

Unter Anwendung der so gemessenen Drücke werden die Zustandspunkte (3), (1) und (2) in analoger Weise bestimmt, wie bereits beim Beispiel 2 beschrieben.

Für alle zuvor beschriebenen Beispiele ist von Bedeutung, daß das Sondenrohr 2 so ausgeführt ist, daß es keine signifikanten Druckverluste verursacht. Die Zustandsänderung des Dampfes zwischen Dampfleitung 1 und Meßkammer 3 erfolgt somit isobar. Nur unter dieser Voraussetzung kann über den Meßkammer-Drucksensor 6 der Gesamtdruck in der Dampfleitung 1 bestimmt werden.

Diese Ausführung erscheint vorteilhafter, als die in Fig. 5 dargestellte Variante, bei der das Sondenrohr 2 mit einer Drossel 14 versehen ist, während der Meßkammerausgang 15 wenig oder gar nicht gedrosselt ist. Eine beispielhafte Zustandsänderung ist in Fig. 6 dargestellt.

Die Veränderung von (2) nach (3) entspricht dabei der Zustandsänderung des Probendampfes durch die Drosselung im Probenrohr.

Prinzipiell läuft das Verfahren zur Bestimmung der verschiedenen Zustandspunkte in analoger Weise ab, wie an den Beispielen 2 und 3 beschrieben, allerdings muß der Gesamtdruck in der Dampfleitung 1 durch eine zusätzliche Meßeinrichtung erfaßt und in die Datenermittlung einbezogen werden.

Nach Überhitzung des Probendampfes in der Meßkammer 3 wird aus dem Wertepaar von Meßkammer-Temperatursensor 7 und Meßkammer-Drucksensor 6 der Zustandspunkt (4) bestimmt. Wiederum aus dem Verhältnis von eingesetzter Heizleistung an der Heizeinrichtung 4 zum Massenstrom des Probendampfes wird Δh ermittelt.

Die Druckmessung in der Dampfleitung 1 kann u. a. auch nach dem Prinzip des sogenannten Prandtl-Rohr 16 erfolgen. Über den Gesamtdrucksensor 18 wird dabei der Gesamtdruck in der Dampfleitung 1 erfaßt. Dieser bildet zusammen mit dem um Δh verringerten Enthalpiewert des Zustandes (4) ein Wertepaar, das im Computerprogramm der EMSR 8 zur Bestimmung des Zustands (1) erforderlich ist. Durch Messung des Unterschiedes zwischen Gesamtdruck und statischem Druck mit Hilfe des Differenzdrucksensors 17 kann, wie bereits beim Beispiel 2 beschrieben, der Zustandspunkt (2) für den strömenden Dampf in der Dampfleitung 1 ermittelt werden. Ebenso kann analog die Geschwindigkeit, der Volumen- und Massenstrom bestimmt werden.

Hauptnachteil dieser Variante ist, daß der Massenstrom des Probendampfes durch eine Drossel bestimmt wird, über die ein ggf. mit Tröpfchen beladener Dampf strömt. Dabei ist zu erwarten, daß aufgrund der 2-Phasen-Strömung die Konstanz des Massenstroms weniger gut definiert ist, wie bei Strömung von überhitztem Dampf über das Drosselorgan.

Desweiteren ist zu befürchten, daß es zu einer Art Fraktionierung oder Filterung kommt, bei der die gasförmigen Anteile bevorzugt die Drossel passieren, während die Tröpfchen ggf. zurückgehalten würden. Die Probe wäre demnach nicht mehr repräsentativ.

Das bisher beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Zustandspunktes im h,s- Diagramm, sowie der Geschwindigkeit und des Massenstroms eignet sich sowohl für feuchten Dampf als auch Sattdampf oder überhitzten Dampf. Bei überhitztem Dampf kann jedoch auf eine zusätzliche Aufheizung mittels der Heizeinrichtung 4 verzichtet werden. Falls die EMSR 8 den Wert des Meßkammer-Temperatursensor 7 als Führungsgröße zur Ansteuerung der Heizeinrichtung 4 benutzt, wird diese automatisch oberhalb des eingestellten Temperatur- Sollwertes nicht mehr angesteuert werden. Die Berechnungsalgorithmen zur Dampfzustandbestimmung bleiben gleich.

Bei der Ausführung der Meßvorrichtung ist die Beachtung folgender Aspekte zu berücksichtigen:
Besondere Aufmerksamkeit gilt einer repräsentativen Probenahme. Hierzu ist in Strömungsrichtung vor der Position des Sondenrohr 2 eine Misch- und Wirbelstrecke 11 (Fig. 1) vorgesehen. Es ist bekannt, daß Kondensat in Dampfleitungen vorzugsweise an den Wandungen schraubenförmig vorangetrieben wird. Ein in der Mitte der Dampfleitung 1 angeordnetes Sondenrohr 2 kann somit einen erheblichen Teil der mitgeschleppten Feuchte nicht erfassen. Die dargestellte Form der Misch- und Wirbelstrecke 11 besteht beispielsweise aus 2 Ringen 19, deren Außendurchmesser annähernd dem Rohrinnendurchmesser entspricht, und einer dazwischen rohrzentrisch angeordneten Prallplatte 20, deren Außendurchmesser kleiner als der Rohrinnendurchmesser ist. Durch die Ringe 19 wird der Kondensatfilm an der Rohrwandung zerstört, bzw. die Neubildung gestört. Durch die Prallplatte 20 sollen größere Tropfen zu kleineren zerstäubt werden. Nach der Misch- und Wirbelstrecke 11 trifft somit ein über den Rohrquerschnitt weitestgehend gleichförmiger Dampfstrom auf das Sondenrohr 2. Bei Bedarf werden mehrere der Misch- und Wirbelstrecken 11 hintereinander geschaltet.

Das Sondenrohr 2 sollte nicht zu englumig ausgeführt sein, da ansonsten der Eintritt von Tröpfchen in unerwünschter Weise behindert wird. Ein freier Innendurchmesser von mindestens 3 mm ist auch nach einer Misch- und Wirbelstrecke 11 zu empfehlen.

Idealerweise sollte der freie Querschnitt des Sondenrohrs 2 und der Massenstrom des Probendampfes so aufeinander abgestimmt sein, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Sondenrohr 2 der in der Dampfleitung 1 zu erwartenden möglichst nahe kommt. Auf diese Weise würden die geringsten strömungsmechanischen Erscheinungen, z. B. Strömungsstau, auftreten, die zu einer ungleichen Aufnahme der verschiedenen Phasen in das Sondenrohr 2 führen könnten.

Um eine Verfälschung der Meßergebnisse durch Wärmeverluste zu vermeiden ist eine Isolation 12 an der Meßkammer 3 vorgesehen. Um auch den Wärmeaustausch der Meßkammer 3 mit der Dampfleitung 1 zu minimieren kann eine dampfbeständige Isolation 13 an den Berührungsflächen vorgesehen sein.

Die Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Meßvorrichtung, wobei sie in diesem Fall an einem Winkelstück der Dampfleitung 1 angeordnet ist. Das Sondenrohr 2 ist in diesem Fall nicht gekrümmt, sondern gerade ausgeführt. Vorzugsweise wird es in diesem Fall als Prandtl-Rohr 16 ausgeführt, so daß die Öffnung zur Erfassung des statischen Drucks, der im Differenzdrucksensor 17 verwertet wird, an einem Ort plaziert werden kann, der von den Wirbelströmen im Winkelstück noch wenig beeinflußt ist.

Die Nummerierung und die Funktion der Komponenten ist deckungsgleich zu den Beschreibungen der anderen Figuren.

Es ist auch möglich, die Meßkammer mit den zugehörigen Meß- und Regelvorrichtungen, nicht direkt an der Dampfleitung 1 anzubringen, sondern in bedarfsgerechter Entfernung. In diesem Fall ist der Doppelrohrteil des Prandtl-Rohres 16 entsprechend zu verlängern, bei Bedarf mit halbflexiblen Doppelrohrelementen. Vorteilhaft ist dabei, daß zwangsläufig der Probendampfstrom im inneren Rohr des Prandtl-Rohres 16 von einem Dampf gleicher Temperatur im umgebenden Rohr vor Wärmeverlusten geschützt ist. Dadurch sind auch längere Entfernungen zwischen Probenahmestutzen und Meßkammer 3 möglich, ohne daß eine signifikante Verfälschung des thermodynamischen Zustands der Dampfprobe auftreten kann. Je nach Verlauf der Verbindungsleitung, muß das umgebende Rohr des Prandtl- Rohres 16 an der tiefsten Stelle entwässert werden. Dies kann z. B. durch einen handelsüblichen Kondensatableiter erfolgen.

Für bestimmte Anwendungen ist es von Interesse auch den Gehalt an sogenannten "Nicht­ kondensierbaren Gasen" zu bestimmen. Hierzu kann der Probendampf nach Verlassen der Meßkammer 3 in eine nachfolgende Meßeinrichtung geleitet werden, die ausgeführt sein kann wie z. B. in DE 43 19 402 C2 beschrieben. Die Veränderung des Probendampfes bei der Feuchtebestimmung verändert das Ergebnis dieser Messung nicht.

Da bei der Bestimmung der "Nichtkondensierbaren Gase" die Kondensation des Probendampfes erforderlich ist, kann die Menge des ablaufenden Kondensats zur Kontrolle oder zur Ermittlung der massenspezifisch eingesetzten Heizleistung bei der Feuchtemeßeinrichtung genutzt werden. Die Massenbestimmung kann nach einer der allgemein bekannten Meßmethoden erfolgen, z. B. kann zunächst der Volumenstrom erfaßt werden und unter Einrechnung der temperaturabhängigen Dichte der Massenstrom bestimmt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zu untersuchenden Dampfraum ein definierter, durch strömungsmechanische Bedingungen feststehender, oder meßtechnisch erfaßter, oder geregelter Massenstrom Dampf abgezogen und zu einer Meßkammer oder Meßstrecke geleitet wird, in der die Probenmenge durch Energiezufuhr auf definiert überhitzten Zustand gebracht wird, wobei die Temperatur und der Druck in der Meßkammer oder Meßstrecke erfaßt werden und vorzugsweise durch computergestützen Vergleich mit den hinterlegten Tabellenwerten der thermodynamischen Eigenschaften des Dampfes nach Mollier der Überhitzungszustand und damit die Position des überhitzten Probendampfes im h,s-Diagramm und damit auch der zugehörige Enthalpiewert bestimmt wird, sodaß von diesem Enthalpiewert ausgehend, die aus dem Verhältnis von Energiezufuhr zu Massenstrom berechnete Enthalpieerhöhung, die der Probendampf erfahren hat, abgezogen werden kann, um durch Bildung eines Wertepaares mit dem im Verlauf der Meßkammer oder Meßstrecke erfaßten Gesamtdruck- oder Temperaturwert einen Schnittpunkt im h,s-Diagramm zu bestimmen und damit die Position im h,s-Diagramm für den Probendampf vor Eintritt in die Meßeinrichtung, bezogen auf den Gesamtenergieinhalt, zu ermitteln. Aus den Diagramm- bzw. Tabellenbezügen nach Mollier kann daraus auch der zugehörige Entropiewert bestimmt werden.

2. Verfahren nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Position im h,s- Diagramm für strömenden Dampf bestimmt werden kann, indem aus dem Probenahmeraum neben dem Gesamtdruck auch der statische Druck erfaßt wird, und durch Bildung eines Wertepaarschnittpunkts zwischen der konstanten Entropielinie des nach dem Verfahren aus Anspruch 1 gefundenen Zustandspunktes und dem statischen Druck im h,s-Diagramm der Zustandspunkt für den strömenden Dampf vorzugsweise durch computergestützen Vergleich mit den hinterlegten Tabellenwerten ermittelt wird. Aus den Diagramm- bzw. Tabellenbezügen nach Mollier kann daraus auch der zugehörige Enthalpieunterschied zu dem nach Anspruch 1 ermittelten Zustandspunkt, sowie der absolute Enthalpiewert bestimmt werden.

3. Verfahren nach Ansprüch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei hohen Genauigkeitsanforderungen eine evtl. polytrope Zustandsänderung des strömenden Dampfes berücksichtigt wird, indem der nach Anspruch 2 ermittelte Enthalpieunterschied gegenüber dem nach Anspruch 1 gefundenen Wert um einen systembezogenen, empirisch oder rechnerisch bestimmten Faktor korrigiert wird, und der daraus ermittelte absolute Enthalpiewert zur Bildung eines Wertepaarschnittpunktes mit dem zuvor bestimmten statischen Druckwert im h,s-Diagramm herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3 ermittelte Enthalpieunterschied des strömenden Dampfes gegenüber dem nach Anspruch 1 ermittelten, auf die Gesamtenergie bezogenen Enthalpiewertes über die Gleichung 3 zur Ermittlung der Geschwindigkeit, und diese wiederum über die Gleichung 5 zur Ermittlung des Volumenstroms, und dieser wiederum über die Gleichung 6 zur Ermittlung des Massenstroms herangezogen wird, wobei der benötigte Wert für das spezifische Volumen aus den Diagramm- bzw. computergespeicherten Tabellenbezügen nach Mollier bezogen auf den nach Anspruch 2 oder 3 gefundenen Zustandspunkt bestimmt wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand, dadurch gekennzeichnet, daß das Sondenrohr 2 zur Probenahme aus der Dampfleitung 1 vorzugsweise gleichzeitig als Anschlußleitung zur Erfassung des Gesamtdruckes in der Dampfleitung 1 genutzt wird, wobei es hierzu entweder nach dem Prinzip eines Pitotrohres oder auch als Teil eines Prandtl-Rohr 16 ausgeführt sein kann, und so dimensioniert werden muß, daß beim definierten Probendampfmassenstrom kein signifikanter Druckverlust von Eintritt Sondenrohr 2 bis Meßkammer 3 auftritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkammer- Drucksensor 6 gleichzeitig zur Bestimmung des Gesamtdruckes in der Dampfleitung 1 und zur Bestimmung des physikalischen Zustandes des überhitzten Probendampfes genutzt wird.

7. Vorrichtung zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Meßkammer 3 so dimensioniert ist, daß darin beim definierten Probendampfmassenstrom die Strömungsgeschwindigkeit sehr gering ist, und somit der Meßkammer-Drucksensor 6 ohne signifikanten Fehler bei konventionellem Anschluß nach Art eines Piezorohres den Gesamtdruck erfaßt, oder daß bei Dimensionierung der Meßkammer 3 mit geringem Querschnitt und somit hoher Strömungsgeschwindigkeit der Anschlußstutzen für den Meßkammer-Drucksensor 6 so ausgeführt ist, daß der Gesamtdruck des strömenden Probendampfes in der Meßkammer 3 erfaßt werden kann. Der Anschlußstutzen kann hierzu wiederum nach dem Prinzip eines Pitotrohres 10 oder auch als Teil eines Prandtl-Rohres ausgeführt sein.

8. Vorrichtung zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan 5 oder eine entsprechende Regeleinrichtung zur Steuerung des abgehenden Probendampfmassenstroms vorzugsweise nach der Meßkammer 3 angeordnet ist oder aber bei Inkaufnahme beschriebener Nachteile auch vor der Meßkammer angeordnet sein kann, wobei in diesem Fall zur Erfassung des Gesamtdruckes in der Dampfleitung 1 ein separater Drucksensor vorgesehen sein muß.

9. Vorrichtung zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sondenrohr 2 eine Misch- und Wirbelstrecke 11 zur Feinverteilung der mitgeschleppten Tropfen vorgesehen ist, die beispielsweise in Form von 2 Ringen 19, deren Außendurchmesser annähernd dem Rohrinnendurchmesser entspricht, und einer dazwischen rohrzentrisch angeordneten Prallplatte 20, deren Außendurchmesser kleiner als der Rohrinnendurchmesser ist, besteht.

10. Vorrichtung zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand, dadurch gekennzeichnet, daß alle erforderlichen Datensätze des Dampfzustandsdiagramms nach Mollier in einer Elektromagnetischen Meß- Steuer- und Regeleinheit (EMSR) 8 abgespeichert und zur Ermittlung der jeweiligen Position des untersuchten Dampfes im h,s-Diagramm herangezogen werden.

11. Vorrichtung zur Bestimmung der Abweichung des thermodynamischen Zustands von Dampf gegenüber seinem Sättigungszustand, dadurch gekennzeichnet, daß der beschriebenen Meßvorrichtung eine Vorrichtung zur Bestimmung der nichtkondensierbaren Gase nachgeschaltet sein kann, und die anfallende Energie aus der zugehörigen Kühl- und Kondensationseinrichtung wiederverwendet wird zur Energiezufuhr über die Heizeinrichtung 4 bei der hier beschriebenen Vorrichtung, wobei wegen der verschiedenen Temperaturniveaus ein Wärmepumpensystem eingesetzt werden muß, wie sie in verschiedenen technischen Ausführungen bekannt sind.